SDIC-U2P10 - Sistemas Digitales de Instrumentación y Control

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Responsable: Rafael Ramon Ramos Lara Unidad que imparte:

Curso:

Créditos:

710 - EEL - Departamento de Ingeniería Electrónica 2012

INGENIERÍA EN AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL (Plan 2003). (Unidad docente Optativa)

6 Titulación:

Profesorado

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Introducción a los sistemas programables avanzados

Objetivos

En este tema se describen las diferentes tecnologías de realización práctica de sistemas digitales y los criterios que permiten seleccionar la tecnología más adecuada para una determinada aplicación. Se hace un repaso de las características y arquitectura de los dispositivos programables digitales y se indican los parámetros generales que permiten seleccionar el dispositivo más idóneo. Finalmente se hace una breve descripción de los dispositivos analógicos programables.

Contenidos

1.1. Introducción a los PLD's

1.1.1. Alternativas de diseño de sistemas digitales. Diseño con PLD's. 1.1.2. Estructuras básicas

1.2. PLD's de alta capacidad 1.2.1. Arquitectura de las CPLD's

1.2.2. Arquitectura de las FPGA's (familia XC4000 de Xilinx) 1.3. Dispositivos Programables de Xilinx

1.3.1. Familia Spartan II 1.3.2. Familia Virtex II 1.3.3. Familia XC9500

1.4. Dispositivos Analógicos Programables (FPAD) 1.4.1. TRAC de FAS

1.4.2. ispPAC de Lattice

Actividades, conocimientos, habilidades, aptitudes Al finalizar este tema el alumno debe ser capaz de:

- Identificar las posibles realizaciones prácticas de un sistema digital.

- Determinar la solución tecnológica más adecuada para la realización de una aplicación digital. - Identificar cúal es la arquitectura y la capacidad de un PLD más idónea para llevar a cabo un diseño. Comentarios

Rafael Ramos Lara, 'Tema 1 de SDIC' Descripción:

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Arquitectura de los sistemas basados en dispositivos digitales programables

Objetivos

Este tema trata sobre los distintos aspectos asociados al diseño del hardware de un sistema digital. El tema se divide en dos partes: en una primera parte se describen los componentes más habituales que acompañan a los dispositivos digitales en aplicaciones generales, particularizando a continuación para aplicaciones de

instrumentación y control; en la segunda parte se explican las consideraciones prácticas a tener en cuenta en la realización de la aplicación en referencia a atenuación de ruido, interferencias electromagnéticas y diseño de PCB.

Contenidos

2.1. Bloques básicos de un sistema digital avanzado para aplicaciones industriales 2.1.1. Entradas-salidas analógicas. Acondicionadores de señal

2.2.1. Propagación de señales 2.2.2. Técnicas de diseño de PCB 2.1.2. Entradas-salidas digitales 2.1.3. Sistema de configuración y test 2.1.4. Sistema de alimentación 2.2. Consideraciones eléctricas

- Determinar los componentes electrónicos más idóneos para una aplicación basada en PLD. - Conocer los mecanismos de programación y verificación del hardware de la aplicación digital.

- Diseñar el PCB de la aplicación digital teniendo en cuenta consideraciones de compatibilidad electromagnética. Comentarios

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Diseño de subsistemas aritméticos

Objetivos

En este tema se introducen las características, análisis y diseño de los elementos que componen el subsistema aritmético. Se describen los elementos de procesado aritmético-lógico más habituales y las diferentes

arquitecturas de implementación de los mismos proporcionando los criterios básicos que permiten seleccionar el elemento y arquitectura más adecuada a la función a realizar y al dispositivo lógico que implementará dicha función.

Se explica también la implementación de funciones complejas, arbitrarias y series de potencias. Contenidos

3.1. Formatos de representación numérica 3.2. Arquitecturas serie, paralelo y pipelined 3.3. Sumadores/restadores

3.3.1. Sumadores/restadores Serie-Serie 3.3.2. Sumadores/restadores Paralelo 3.4. Multiplicadores

3.4.1. Multiplicadores Array (Paralelo) 3.4.1.1. Multiplicadores Array Unsigned 3.4.1.2. Multiplicadores Array c.a. 2 3.4.2. Multiplicadores Serie-Paralelo

3.4.2.1. Multiplicadores Serie-Paralelo Unsigned con algoritmo CSAS 3.4.2.2. Multiplicadores Serie-Paralelo Unsigned con algoritmo FSP 3.4.2.3. Multiplicadores Serie-Paralelo c.a.2 con algoritmo CSAS 3.4.2.4. Multiplicadores Serie-Paralelo c.a.2 con algoritmo FSP 3.4.2.5. Multiplicadores Serie-Paralelo MSB-primero

3.4.3. Multiplicadores Serie Secuencial 3.4.4. Multiplicadores Serie-Serie 3.4.5. Multiplicadores Pipelined 3.4.6. Algoritmo LBooth

3.4.7. Multiplicadores de hardware reducido 3.5. Divisores

3.5.1. Divisor Paralelo-Paralelo 3.5.2. Divisor secuencial

- Conocer los formatos habituales de representación de información numérica con el sistema de numeración binario.

- Seleccionar el formato numérico mas adecuado en relación a las características de la información a procesar. - Conocer las diferentes arquitecturas y estrategias de realización de elementos aritméticos-lógicos básicos, así como sus características en relación a ocupación y tiempo de proceso.

- Diseñar y combinar diferentes elementos aritméticos realizados con distintas arquitecturas para llevar a cabo una función específica ajustándose a un nivel de ocupación y tiempo de proceso concreto.

Comentarios

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Diseño de subsistemas de temporización y comunicación

Objetivos

En este tema se explican el diseño e implementación práctica de circuitos auxiliares utilizados habitualmente en aplicaciones de control digital como pueden ser los temporizadores/contadores y watchdogs, modulador de anchura de pulsos y sistemas de comunicación serie/paralelo.

Contenidos

4.1. Temporizadores, contadores y watchdos4.2. Modulador de anchura de pulsos (PWM) digital 4.2.1. Modulador de simple rampa

4.2.2. Modulador de doble rampa 4.3. Sistemas de transmisión de datos

· Diseñar un temporizador/contador y conocer sus posibles aplicaciones.

· Dimensionar adecuadamente el temporizador/contador necesario para una aplicación concreta. · Conocer la estructura básica de los moduladores de anchura de pulsos digitales.

· Diseñar el circuito PWM en función de la precisión requerida por la aplicación. · Conocer los sistemas habituales de transmisión de datos, su utilidad y organización. · Diseñar puertos de comunicación serie/paralelo.

Comentarios

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Diseño de subsistemas de control

Objetivos

En este tema se explica la función de los subsistemas de control dentro de un diseño digital. Se indican las diferentes técnicas de implementación basadas en básculas, puertas lógicas y memorias. Se comentan los distintos tipos de codificación de estados (binaria canónica, one-hot y Gray), sus características principales y su realización práctica con PLD¿s. Se explican los problemas de diseño más habituales relacionados con el diseño y funcionamiento de los subsistemas de control, así como la solución a adoptar en cada caso.

Contenidos

5.1. Unidades de control secuencial 5.2. Máquina de estados

· Conocer la funcionalidad del subsistema de control dentro de un diseño digital.

· Determinar la arquitectura más adecuada del sistema de control en base a las características de la secuencia de control a generar.

· Diseñar la máquina de estados que controle el funcionamiento y secuenciación de operaciones del resto de componentes del sistema digital.

Comentarios

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Sistemas digitales de control en tiempo discreto

Objetivos

Este primer tema de la segunda parte de la asignatura SDAV está dedicado a la realización de aplicaciones en el ámbito de control lineal y no lineal. Se describe la implementación de diversos circuitos de control basada en los elementos estudiados en temas anteriores. En primer lugar se explica la realización digital del control

Proporcional-Integral-Derivativo (PID). A continuación se explica el diseño de filtros digitales para aplicaciones de control en tiempo discreto, exponiendo las diversas arquitecturas de

realización así como sus ventajas e inconvenientes. Finalmente se comentan implementaciones de controles digitales no lineales, como son el control en modo de deslizamiento y el control difuso en el ámbito de aplicación de la electrónica de potencia.

Continguts

6.1. Control PID digital

6.2. Filtros digitales para filtrado y control

6.3. Arquitecturas de realización de Filtros digitales 6.3.1. Programación directa

6.3.2. Programación estándar 6.3.3. Programación serie/paralelo 6.3.4. Programación en escalera 6.4. Control en modo de deslizamiento 6.5. Control difuso

Activitats, coneixements, habilitats, aptituds Al finalizar este tema el alumno debe ser capaz de: · Diseñar un control PID digital basado en

dispositivos PLD¿s.

· Seleccionar la arquitectura más idónea de filtro

digital para aplicaciones de control en base a las características de función de control a implementar, ocupación y tiempo de proceso.

· Dimensionar adecuadamente los elementos

aritméticos que intervienen en el sistema de control. · Combinar los elementos de procesado y

arquitecturas para diseñar un sistema digital para aplicaciones de control lineal en tiempo discreto.

· Conocer diversas soluciones de implementación digital de controles no lineales complejos que trabajan en tiempo real. Comentaris

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Sistemas digitales de instrumentación y medida

Objetivos

Este tema está dedicado al diseño global de sistemas digitales basados en PLD¿s en el ámbito de aplicación de la instrumentación y medida electrónica, en concreto en el campo de procesado digital de la señal de medida. En cada uno de los apartados se comenta el diseño y realización digital de circuitos de procesado de señal muy utilizados en instrumentación como puede ser filtros, circuitos de linealización de la característica de sensores, la transformada rápida de Fourier, el conversor de valor eficaz y sistemas de medición de potencia. Las aplicaciones escogidas para ilustrar este tema pretende ser una selección representativa del basto conjunto de sistemas electrónicos relacionados con la instrumentación y medida.

Contenidos

7.1. Filtros programables 7.2. Filtros adaptativos 7.3. Linealización de sensores

7.4. Transformada rápida de Fourier (FFT) 7.5. Conversor RMS

7.6. Medidor de potencia

· Conocer ejemplos prácticos de implementación digital de circuitos para aplicaciones de instrumentación. · Identificar las funciones básicas aritméticológicas involucradas en el diseño de un sistema de instrumentación. · Dimensionar y organizar los bloques elementales y la secuencia de operaciones para llevar a cabo la función requerida por la aplicación.

· Realizar el diseño global del sistema digital para aplicaciones de instrumentación incluyendo el subsistema de adquisición de la señal de medida.

Comentarios

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Práctica 1- Introducción al sistema de desarrollo DIGILAB 2/2E - DIO1

Objetivos

Esta práctica permite al estudiante familiarizarse con el entorno de trabajo Foundation ISE para el desarrollo de diseños digitales basados en FPGA de Xilinx.

Contenidos

P1.1. Placas de evaluación Digilab 2/2E y DIO1 P1.2. Placa de convertidores ADC y DAC

P1.3. Control del display de 4 dígitos de 7 segmentos P1.3.1. Descripción de la aplicación

P1.3.2. Convertidor de BCD-HEX a 7 segmentos con VHDL P1.3.3. Diseño del sistema secuencial de control con StateCAD P1.3.4. Diseño de la base de tiempos con CORE Generator P1.3.5. Realización del multiplexor con CORE Generator P1.3.6. Diseño de alto nivel con Schematic Editor (ECS) P1.3.7. Compilación del diseño y programación de la FPGA P1.4. Conversor Binario-BCD

P1.4.1. Descripción de la aplicación P1.4.2. Diseño jerárquico

P1.4.3. Diseño del sistema secuencial de control con VHDL P1.4.4. Diseño del registro de desplazamiento de 12 bits P1.4.5. Diseño definitivo del conversor binario-BCD

P1.4.6. Diseño definitivo del control del display de 4 dígitos de 7 segmentos P1.5. Cuestiones teóricas

Actividades, conocimientos, habilidades, aptitudes Con esta práctica se pretende que el estudiante:

- Conozca el entorno de desarrollo Digilab 2, DIO1 y la placa de convertidores ADC y DAC - Conozca del entorno de diseño Xilinx Foundation ISE 5.1i

- Sea capaz de realizar diseños esquemáticos con el Schematic Editor (ECS) de Foundation ISE

- Diseñe sistemas secuenciales con el editor de estados StateCAD de Foundation ISE y verificar su correcto funcionamiento mediante simulación

- Realice bloques lógicos con la herramienta CORE Generator - Conozca las estrategia de diseño jerárquico - Implemente conversores de códigos binario-BCD y BCD-7 segmentos

- Utilice y combine adecuadamente distintas herramientas de diseño digital Comentaris

Rafael Ramos Lara, 'Practica 1 de SDIC'

Digilent Inc., ¿Digilab 2E Reference Manual, 2002 Descripción:

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Práctica 2- Voltímetro digital con el ADC MAX1246

Objetivos

En esta práctica se lleva a cabo el diseño de un cadena de medida digital para monitorizar una tensión. Contenidos

P2.1. Descripción del ADC MAX1246

P2.2. Características generales de la aplicación P2.3. Componentes básicos

P2.4. Diseño del sistema secuencial de control

P2.5. Generación de la señal de reloj del ADC MAX1246 P2.6. Visualización del resultado con diodos LED's

P2.7. Visualización del resultado con el display de 4 dígitos de 7 segmentos P2.8. Trabajo teórico

- Conozca las características de funcionamiento del conversor ADC MAX1246

- Sea capaz de controlar digitalmente, vía FPGA, el funcionamiento del ADC MAX1246.

- Sea capaz de visualizar resultados de la conversión analógica-digital en un display de 4 dígitos de 7 segmentos - Conozca las bases del protocolo de comunicación serie SPI para programación de periféricos

Comentarios

Rafael Ramos Lara, 'Practica 2 de SDIC' MAX1246/MAX1247 data Sheet Descripción:

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Práctica 3- Medida de temperatura con el sensor AD22103

Objetivos

En esta práctica se realiza el diseño de un sistema de adquisición de temperatura digital basado en el sensor de temperatura AD22103.

Contenidos

P3.1. Descripción del sensor de temperatura AD22103 P3.2. Características generales de la aplicación

P3.3. Modificación del diseño del sistema de control del ADC MAX1246 P3.4. Diseño del sistema acondicionador digital de señal

P3.5. Trabajo teórico

- Conozca las características de funcionamiento del sensor de temperatura AD22103

- Sea capaz de dimensionar adecuadamente los componentes y bloques necesarios para procesar información de sensores de medida

- Sea capaz de diseñar el bloque aritméticológico necesario para extraer la información de la variable física ofrecida por el sensor

Comentarios

Rafael Ramos Lara, 'Práctica 3 de SDIC'

AD22103: 3.3 V Supply, Voltage Output Temperature.Sensor with Signal Conditioning

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Bibliografía

Práctica 4- Rectificador de onda completa

Trabajo de asignatura

Objetivos

El objetivo de esta práctica es diseñar un sistema digiltal de procesado de señal para aplicaciones de instrumentación y/o control.

Contenidos

P4.1. Descripción del convertidor DAC MAX5253 P4.2. Características generales de la aplicación

P4.3. Modificación del diseño del sistema de control del convertidor ADC MAX1246 P4.4. Diseño del sistema de procesado digital de señal

P4.5. Control de la conversión del DAC MAX5253 P4.6. Trabajo teórico

- Conozca las características de funcionamiento del convertidor DAC MAX5253 - Sea capaz de controlar el funcionamiento del convertidor DAC MAX5253

- Sea capaz de dimensionar adecuadamente los componentes y bloques necesarios para realizar operaciones de procesado de señal.

Comentarios

Rafael Ramos Lara, 'Práctica 4 de SDIC' MAX5253 data Sheet

Objetivos

El objetivo de este trabajo es aplicar los conocimientos adquiridos en esta asignatura en el diseño de una aplicación relacionada con un sistema de instrumentación o de control.

Descripción:

Básica:

Dave Van den Bout. The Practical Xilinx Designer Lab Book. Prentince Hall, 1998. Jesse H. Jenkins. Designing with FPGAs and CPLDs. Prentince Hall, 1994.